-
Xây Dựng IoT Platform Cho Nhà Thông Minh Tương Thích Chuẩn
Echonet Lite
Nguyễn Hoài Sơn và Nguyễn Việt Bắc Khoa Công nghệ thông tin,
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Email:
[email protected], [email protected]
Abstract— Để xây dựng các ứng dụng Internet of Things trong nhà
thông minh thì các thiết bị cần được kết nối và truy cập một cách
dễ dàng dựa trên chuẩn giao thức chung. Trong bài báo này, chúng
tôi đề xuất một IoT platform giúp cho các thiết bị trong nhà thông
minh có thể giao tiếp với nhau thông qua giao thức Echonet Lite,
một giao thức được hỗ trợ bới nhiều công ty sản xuất thiết bị điện
dân dụng, đồng thời cho phép các thiết bị trong nhà giao tiếp với
các máy tính trên mạng Internet thông qua một Home gateway sử dụng
giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport). IoT platform
của chúng tôi cung cấp các chức năng giao tiếp với các thiết bị
cũng như lưu trữ thông tin trạng thái và cập nhật trạng thái của
các thiết bị cho các ứng dụng IoT trong nhà thông minh. Chúng tôi
đã cài đặt thành công IoT platform đề xuất và triển khai thử nghiệm
một ứng dụng giám sát và điều khiển thiết bị và một ứng dụng về ổ
điện thông minh trên IoT platform này.
Keywords-Nhà thông minh, Echonet lite, MQTT, Home gateway.
I. GIỚI THIỆU Xây dựng nhà thông minh hiện đang là một nhu cầu
phổ biến của người dùng do sự tiện nghi và thoải mái mà nó mang
lại. Cùng với sự gia tăng khả năng kết nối của các thiết bị vào
mạng, đã có nhiều dịch vụ cung cấp cho nhà thông minh như dịch vụ
điều khiển các thiết bị từ xa, dịch vụ an ninh sử dụng tín hiện
phát hiện đột nhập trái phép, dịch vụ cứu hỏa sử dụng dữ liệu báo
cháy từ các cảm biến báo cháy trong nhà thông minh,... Đây là những
dịch vụ tiêu biểu cho các ứng dụng Internet of Things (IoT) cho nhà
thông minh. Tuy nhiên, để xây dựng và triển khai các dịch vụ IoT,
các thiết bị trong nhà thông minh cần giao tiếp với nhau theo một
chuẩn giao tiếp chung. Bên cạnh đó, với sự phát triển của mạng
Internet, việc xây dựng và triển khai các dịch vụ trong nhà thông
minh cần được thực hiện tại các máy tính trên cơ sở hạ tầng điện
toán đám mây. Điều này sẽ giúp cho việc triển khai, duy trì và cập
nhật các dịch vụ một cách dễ dàng với chi phí thấp. Echonet lite là
một giải pháp cho chuẩn giao thức được đề xuất bởi tổ chức Echonet
với sự tham gia của nhiều công ty sản xuất thiết bị điện như
Panasonic, Toshiba, Fujittsu, ... Echonet lite cung cấp một phương
thức giao tiếp đơn giản, chi phí thấp giữa các thiết bị,điện trong
nhà. Chuẩn này hiện đang được đề xuất là chuẩn quốc tế bởi các cơ
quan tiêu chuẩn quốc tế IEC (the
International Electrotechnical Commission) và ISO/IEC trong
chuẩn IEC 62394 [2] và ISO/IEC 14543-4-3 [3]. Bên cạnh đó, giao
thức MQTT (viết tắt của Message Queueing Telemetry Transport) là
một giao thức cho phép quản lý việc chia sẻ dữ liệu giữa nhiều bên
tham gia và được sử dụng phổ biến cho các ứng dụng IoT. Giao thức
này được chuẩn hóa bới tổ chức OASIS [4] với sự tham gia của hơn
5000 thành viên thuộc hơn 600 tổ chức khác nhau và các thành viên
cá nhân của hơn 65 quốc gia và đã được phê chuẩn bởi tổ chức ISO
(the International Organization for Standardization) và IEC (the
International Electrotechnical Commission) trong chuẩn ISO/IEC
20922 [5]. Mặc dù chuẩn giao thức Echonet lite cho phép các thiết
bị điện trong gia đình thuộc các hãng khác nhau có thể giao tiếp và
chia sẻ dữ liệu cho nhau, tuy nhiên, một ứng dụng nhà thông minh sẽ
cần các thông tin liên quan đến các thiết bị trong nhà, dữ liệu về
trạng thái của các thiết bị cũng như khả năng truy cập và cập nhật
trạng thái của các thiết bị từ Internet. Để giảm thiểu chi phí cho
việc xây dựng được một ứng dụng cho nhà thông minh, cần thiết phải
có một IoT platform giúp thực hiện các tác vụ cơ bản như trên.
Trong bài báo này, chúng tôi đã thiết kế một IoT platform với các
chức năng chính như sau. • Home gateway có khả năng tự động phát
hiện ra các thiết
bị Echonet lite, thu thập dữ liệu trạng thái của các thiết bị
trong nhà thông qua giao thức Echonet Lite và cập nhật dữ liệu này
cho máy tính đóng vai trò MQTT Broker trên mạng Internet thông qua
giao thức MQTT.
• Lưu trữ dữ liệu trạng thái của các thiết bị Echonet Lite trong
nhà thông minh trong cơ sở dữ liệu và cung cấp cho các nhà cung cấp
dịch vụ IoT (IoT Service Provider viết tắt là IoT-SP)
• Cung cấp thông tin trạng thái của các thiết bị Echonet Lite
theo thời gian thực cho IoT-SP trên mạng Internet đồng thời cho
phép các IoT-SP điều khiển các thiết bị Echonet Lite thông qua Home
Gateway.
IoT platform của chúng tôi sẽ giúp cho việc xây dựng và triển
khai các dịch vụ trong nhà thông minh được thực hiện một cách dễ
dàng, thông qua việc truy cập vào dữ liệu trạng thái của các thiết
bị và khả năng điều khiển từ xa thông qua giao thức MQTT và Echonet
lite.
-
Chúng tôi đã xây dựng và cài đặt thử nghiệm IoT platform sử dụng
các thư viện mã nguồn mở. Chúng tôi đã xây dựng một ứng dụng
Android cung cấp chức năng giám sát và điều khiển các thiết bị
Echonet Lite trong nhà thông minh và một ứng dụng ổ điện thông minh
sử dụng IoT platform đề xuất để chứng minh khả năng ứng dụng của
platform của chúng tôi. Chúng tôi cũng đã cài đặt các thiết bị
Echonet Lite tương thích chuẩn Echonet Lite thông qua việc sử dụng
các board mạch chi phí thấp như Raspberry Pi 3, Arduino.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần II,
chúng tôi miêu tả thiết kế hệ thống đề xuất. Trong phần III, chúng
tôi miêu tả cách thức thực thi hệ thống và các kết quả cài đặt thử
nghiệm. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV.
II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Giao thức Echonet lite Echonet Lite là
một chuẩn giao thức dành cho các thiết bị điện trong gia đình và
được phát triển với các đặc trưng: • Dễ dàng phát triển cho hệ
thống các ngôi nhà khác nhau:
Mạng gia đình sẽ hoạt động tốt ngay cả khi kết nối và vận hành
các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau. Một giao thức truyền
thông chung giữa các thiết bị giúp liên kết chúng ở cấp hệ thống.
Người dùng có thể chọn và cài đặt thiết bị thích hợp nhất với nhu
cầu của họ từ một loạt các sản phẩm tương thích Echonet Lite từ các
nhà sản xuất khác nhau.
• Kéo dài chu trình hoạt động của các dịch vụ hay các thiết bị:
Công việc này được giao cho Echonet Lite adapter trung gian xử lý,
các thiết bị chỉ được thiết kế đơn giản nhất có thể. Ví dụ như các
thiết bị chỉ phải hồi đáp khi nhận được yêu cầu từ adpater.
• Dễ dàng cài đặt hệ thống, lắp đặt, thay thế và di chuyển thiết
bị
• Kết nối và cùng tồn tại với các hệ thống khác Ví dụ về kiến
trúc của một hệ thống Echonet Lite được mô tả như hình vẽ 1. Một hệ
thống Echonet Lite kết hợp các nhóm thiết bị có cùng chức năng quản
lý tài nguyên, bảo mật, ... Do đó khu vực lớn nhất mà Echonet Lite
có thể quản lý được gọi là miền. Mỗi một miền sẽ được chỉ định kiểm
soát một loạt các thiết bị (thiết bị gia đình, thiết bị gia dụng và
thiết bị điện tử tiêu dùng, cảm
biến, điều khiển, điều khiển từ xa, ...) xuất hiện trong phạm vi
của nó. Hệ thống nằm trong miền, thực hiện hoạt động truyền thông
và liên kết giữa các thiết bị với bộ giám sát, điều khiển. Một hệ
thống chỉ thực hiện một số lĩnh vực nhất định, do đó một miền có
thể gồm nhiều hệ thống, một thiết bị có thể tồn tại và hoạt động
trong một hoặc nhiều hệ thống. Khi một hệ thống muốn kết nối với
một hệ thống khác nằm ngoài miền sẽ phải thông qua một Gateway
Interface. Hình 1 là một ví dụ được xây dựng phổ biến của một hệ
thống Echonet Lite. Theo hình 1, mỗi một Node Echonet Lite (được
định nghĩa là một thiết bị hoặc bộ điều khiển kết nối với mạng)
trong hệ thống có thể trao đổi dữ liệu một cách tự do với nhau và
với bộ điều khiển (cũng là một Node, được gọi chung là Node
Controller). Hình này cho hai hệ thống ứng dụng A, B trong cùng một
miền, các Node Device trong miền có thể thuộc một, hoặc cả hai hệ
thống này. Mỗi hệ thống thực hiện điều khiển, giám sát các thiết bị
kết nối với hệ thống mỗi thiết bị không chỉ giao tiếp được với bộ
điều khiển trong hệ thống mà còn có thể giao tiếp với các thiết bị
trong hệ thống khác thông qua gateway. 2.2 Giao thức MQTT Giao thức
MQTT hoạt động theo mô hình publish/subcribe theo như mô tả trong
hình 2. Trong mô hình hoạt động của giao thức MQTT, bên gửi dữ liệu
được gọi là thiết bị publisher và bên nhận được gọi là thiết bị
subcriber. Các thiết bị này còn được gọi chung là MQTT client. Bên
cạnh các thành phần publisher và subcriber thì giao thức MQTT sử
dụng một thiết bị trung gian đóng vai trò trung chuyển các gói tin
gọi là MQTT Broker. Để nhận được thông tin thì các thiết bị
subscriber sẽ gửi thông báo yêu cầu cung cấp thông tin (subcribe)
theo một chủ đề (topic) nhất định đến MQTT broker. Chủ đề là một
cái tên để phân biệt các kênh truyền từ các thiết bị publisher khác
nhau và có dạng cây A/B/C/.../X/Y. Khi một thiết bị publisher gửi
thông báo cung cấp thông tin với chủ đề nhất định lên MQTT Broker
thì MQTT Broker sẽ gửi thông báo đó đến các thiết bị subcriber đã
yêu cầu chủ đề đó. MQTT Broker không chỉ đóng vai trò chuyển tiếp
các thông báo từ publisher tới các subcriber dựa trên chủ đề
(topic) của thông báo mà còn đóng vai trò các vai trò khác như duy
trì các kết nối giữa các publisher và subcriber tới MQTT Broker,
phát
8
muốn kết nối với một hệ thống khác nằm ngoài miền sẽ phải thông
qua một Gateway Interface.
Dưới đây là một ví dụ được xây dựng phổ biến của một hệ thống
Echonet Lite:
Hình 1.7: Ví dụ phạm vi miền và cấu hình một hệ thống ứng
dụng[6]
Theo hình 1.7, mỗi một Node Echonet Lite (được định nghĩa là một
thiết bị hoặc bộ điều khiển kết nối với mạng) trong hệ thống có thể
trao đổi dữ liệu một cách tự do với nhau và với bộ điều khiển (cũng
là một Node, được gọi chung là Node Controller). Hình này cho hai
hệ thống ứng dụng A, B trong cùng một miền, các Node Device trong
miền có thể thuộc một, hoặc cả hai hệ thống này. Mỗi hệ thống thực
hiện điều khiển, giám sát các thiết bị kết nối với hệ thống mỗi
thiết bị không chỉ giao tiếp được với bộ điều khiển trong hệ thống
mà còn có thể giao tiếp với các thiết bị trong hệ thống hoặc hệ
thống khác.
1.3.2. Cấu trúc gói tin Echonet Lite Các thiết bị sử dụng giao
thức Echonet Lite sẽ trao đổi với nhau qua các gói tin.
Và các gói tin có cấu trúc giống nhau được gọi chung là gói tin
Echonet. Cấu trúc trung của các gói tin này như sau:
Hình 1 Ví dụ phạm vi miền và cấu hình một hệ thống ứng dụng
[1]
Hình 2 Mô hình hoạt động của giao thức MQTT
-
hiện sự mất kết nối bất thường của các thiết bị, truyền lại các
gói tin, chứng thực và phân quyền cho thiết bị mỗi khi gửi thông
báo publish hoặc subcribe tới MQTT Broker. Hiện nay có nhiều MQTT
Broker được các hãng phát triển như: Mosquitto MQTT, Verner MQTT,
Hivemq ... Giao thức MQTT là giao thức ở tầng ứng dụng, sử dụng
tầng giao vận là giao thức mà đáp ứng 3 yếu cầu đó là: các gói tin
đến theo thứ tự, không bị mất mát và kết nối là kết nối 2 chiều
(giống như các đặc điểm của giao thức tầng giao vận TCP/IP). Giao
thức MQTT có 5 đặc trưng nổi bật đã tạo nên sự khác biệt so với các
giao thức khác. Thứ nhất, giao thức sử dụng mô hình
publish/subcribe để chuyển tiếp dữ liệu. Mô hình này phù hợp với
các ứng dụng cần chuyển tiếp thông báo từ một bên gửi tới nhiều bên
nhận. Thứ hai, việc truyền gói tin từ publisher tới subcriber không
liên quan tới nội dung của gói tin. Thứ ba, giao thức MQTT phân ra
3 mức độ chất lượng dịch vụ cho quá trình truyền gói tin từ
publisher tới subcriber. Với kiểu dịch vụ truyền nhiều nhất 1 lần,
thông báo từ publisher sẽ được truyền đến subcriber, tuy nhiên nếu
trong quá trình truyền gặp sự cố việc mất thông báo thì sẽ không có
cơ chế truyền lại thông báo. Với kiểu dịch vụ truyền ít nhất một
lần, thông báo từ publisher sẽ được đảm bảo truyền đến subcriber,
tuy nhiên thông báo có thể được gửi đến subcriber nhiều hơn 1 lần
do việc gửi lại thông báo khi gói tin xác nhận bị mất. Với kiểu
dịch vụ truyền chính xác 1 lần, một thông báo từ publisher sẽ được
gửi đến subcriber chính xác 1 lần. Thứ tư, kích thước tiêu đề của
các gói tin MQTT rất nhỏ (các trường cố định có kích thước là 2
byte) so với các giao thức ở tầng ứng dụng khác. Điều đó giúp cho
giao thức này có thể hoạt động trong các môi trường mạng có tốc độ
truyền thấp. Thứ năm, cơ chế thông báo khi xảy ra việc kết nối bất
thường từ thiết bị publish hoặc subcribe. Giao thức MQTT hiện đang
được sử dụng khá rộng rãi trong các ứng dụng IoT khác nhau như
Amazon IoT, Microsoft Azure IoT Hub, ứng dụng chat Messenger
Facebook, .... 2.3 Thiết kế IoT Platform IoT platform của chúng tôi
hướng đến việc phục vụ các nhà cung cấp dịch vụ IoT cho nhà thông
minh (IoT service provider - IoT-SP). IoT-SP sẽ được cung cấp dữ
liệu về trạng thái của các thiết bị trong nhà thông minh như dữ
liệu cảm biến, dữ liệu về trạng thái hoạt động của các thiết bị
đồng thời cho phép IoT-SP điều khiển các thiết bị trong nhà thông
minh bằng cách thiết lập trạng thái mới của các thiết bị. Vì vậy,
chúng tôi đã thiết kế IoT platform dành cho nhà thông minh với các
yêu cầu đặt ra như sau: • Khả năng mở rộng của platform trong việc
hỗ trợ các thiết
bị công nghệ của các hãng khác nhau. Bản chất của vấn đề này nằm
ở chỗ cần phải thiết lập một giao thức chuẩn cho tất cả các thiết
bị IoT.
• Cho phép người dùng (chủ nhà) giới hạn việc truy cập dữ liệu
và cấp quyền truy cập cho các IoT-SP hợp lệ.
• Khả năng lưu trữ dữ liệu trạng thái và chia sẻ dữ liệu để hỗ
trợ cho các IoT-SP trong nhà thông minh.
• Hỗ trợ người phát triển phần mềm, dịch vụ IoT bằng việc cung
cấp các API, hướng tới hình thành một hệ sinh thái IoT (Ecosystem
IoT).
Việc xây dựng IoT platform cần giải quyết nhiều vấn đề về công
nghệ khác nhau. Thứ nhất, để biết được thông tin, dữ liệu và sự
thay đổi trạng thái của các thiết bị trong nhà thì mỗi thiết bị
phải có cơ chế để lưu trữ thông tin về thiết bị của mình và có cách
thức để giao tiếp giữa tác nhân muốn yêu cầu thông tin của thiết
bị. Ngoài ra, trong quá trình trao đổi giữa hai bên, các thông số
trao đổi cần phải được xác định và chứng thực được tác nhân yêu
cầu. Vấn đề thứ hai là người dùng có thể thêm thiết bị mới vào
trong nhà mà không phải cài đặt lại hệ thống hiện tại trong nhà. Để
giải quyết vấn đề này, đòi hỏi cần có cơ chế khám phá các thiết bị
mới và sau khi phát hiện ra thiết bị mới cần thực hiện xử lý một số
tác vụ như thông báo cho hệ thống và người dùng biết được việc thêm
thiết bị đó thành công. Thiết bị mới thêm vào đòi hỏi phải chạy
cùng hệ thống và không cần phải cài đặt lại toàn bộ hệ thống. Vấn
đề thứ ba, các IoT-SP có thể yêu cầu dữ liệu về trạng thái thiết bị
trong nhà theo thời gian thực hoặc yêu cầu dữ liệu trong quá khứ.
Điều đó đòi hỏi phải có cách thức lưu trữ dữ liệu trạng thái của
thiết bị theo thời gian đồng thời cung cấp dữ liệu theo thời gian
thực theo yêu cầu của các IoT-SP. Việc lưu trữ dữ liệu phải phù hợp
với từng loại thiết bị, tức là mỗi thiết bị khác nhau sẽ cần lưu
trữ lại các loại dữ liệu khác nhau. Ví dụ như dữ liệu của thiết bị
điều hòa sẽ có cần lưu trữ lại các loại dữ liệu như chế độ cài đặt,
tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ bên ngoài, .... Trong khi đó, thiết
bị khóa điện sẽ cần lưu trữ lại các loại dữ liệu như: trạng thái có
người trong phòng, trạng thái khóa đang mở hay đóng, ...Như vậy, để
đáp ứng được vấn đề này thì cần có cơ sở dữ liệu lưu trữ phù hợp.
Để xây dựng được IoT platform đáp ứng được các yêu cầu đặt ra,
chúng tôi thiết kế hệ thống với 3 thành phần chính (hình 3): • Home
Gateway là thiết bị có nhiệm vụ thu thập dữ liệu
trạng thái của các thiết bị và gửi dữ liệu này đến máy chủ trên
mạng Internet thông qua giao thức MQTT. Home Gateway sẽ giao tiếp
với các thiết bị trong nhà thông qua giao thức Echonet Lite. Home
Gateway cũng đóng vai trò của một MQTT client và giao tiếp với máy
chủ đóng vai trò là MQTT broker thông qua giao thức MQTT.
• Hệ thống xử lý dữ liệu: có thể được triển khai trên hệ thống
cơ sở hạ tầng đám mây, đóng vai trò là một MQTT broker để nhận dữ
liệu từ các home gateway và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu. Server này
còn cung cấp các dữ liệu của các thiết bị trong nhà thông minh cho
các IoT-SP theo thời gian thực để thực hiện các chức năng giám sát,
điều khiển các thiết bị này.
• Máy chủ cung cấp dịch vụ: cung cấp các dịch vụ quản lý tài
khoản và cung cấp dữ liệu trạng thái của thiết bị được lưu trữ
trong cơ sở dữ liệu cho IoT-SP.
2.3.1 Thiết bị Home Gateway
Thiết bị Home Gateway được thiết kế để cung cấp bốn chức năng
chính. Thứ nhất đó là chức năng phát hiện sự xuất hiện của thiết bị
mới và các thiết bị đã tồn tại trong nhà thông minh để mục đích
quét được hết tất cả thiết bị Echonet Lite trong nhà thông minh.
Thứ hai là chức năng lắng nghe, giám sát sự thay đổi trạng thái của
các thiết bị trong nhà. Thứ ba là chức năng
-
điều khiển các thiết bị trong nhà. Cuối cùng, thứ tư là gửi và
nhận dữ liệu thông qua Internet dựa trên giao thức MQTT. Chức năng
thứ nhất được thực hiện dựa trên việc sử dụng chức năng yêu cầu
thông tin, trạng thái của giao thức Echonet Lite. Các thiết bị
Echonet Lite trong cùng một mạng luôn có một kênh truyền chung (a
general broastcast) để giao tiếp với nhau. Kênh truyền này thường
sẽ là một địa chỉ multicast ở cổng 3601. Như vậy, thiết bị Home
Gateway được thiết kế để khi tham gia vào mạng xong thì sẽ bắt đầu
yêu cầu thông tin của các thiết bị khác trong mạng và lắng nghe sự
có mặt của thiết bị mới. Chức năng thứ hai, Home Gateway có thể dễ
dàng nhận được thông tin về trạng thái của thiết bị thông qua việc
yêu cầu thông tin về trạng thái hiện tại của thiết bị. Do đó, chức
năng giám sát trạng của các thiết bị Echonet Lite trong mạng từ
thiết bị Home Gateway sẽ luôn thực hiện được tại bất kì thời điểm
nào. Tùy từng loại thiết bị Echonet Lite khác nhau sẽ có các cách
thiết kế để giám sát khác nhau. Điểm khác biệt ở các cách thiết kế
giám sát đó là tần suất yêu cầu trạng thái từ Home Gateway đến
thiết bị Echonet Lite đó. Có những thiết bị Echonet Lite mà thiết
bị Home Gateway chỉ cần lắng nghe sự thay đổi trạng thái của nó
trên kênh truyền, có những thiết bị thì Home Gateway thường xuyên
gửi yêu cầu thông tin trạng thái tới, có những thiết bị được kết
hợp cả hai cách trên. Như vậy, chức năng giám sát các thiết bị
Echonet Lite của Home Gateway được thực hiện tùy thuộc vào đặc điểm
của các thiết bị Echonet Lite trong mạng. Đồng thời, việc giám sát
các thiết bị Echonet Lite trong nhà cũng cần đáp ứng được yêu cầu
của IoT-SP. Vì vậy, tùy thuộc vào yêu cầu khác nhau của các ứng
dụng IoT mà Home Gateway có thể gửi yêu cầu thông tin trạng thái
của các thiết bị với tần suất khác nhau. Với chức năng điều khiển
các thiết bị Echonet Lite trong mạng, Home Gateway sẽ cập nhật
trạng thái của các thiết bị bằng cách gửi thông báo yêu cầu cập
nhật thông tin trạng thái theo chuẩn giao thức Echonet lite. Trên
kênh truyền quảng bá, mọi thiết bị Echonet Lite đều có thể lắng
nghe được thông điệp từ Home Gateway. Do đó, khi Home Gateway gửi
thông tin lên kênh truyền thì tất cả các thiết bị trong mạng đều
đọc được và trong đó có thiết bị Echonet Lite đích mà Home Gateway
muốn thay đổi trạng thái. Thiết bị Echonet Lite nhận ra gói tin
điều khiển dành cho mình sẽ thưc hiện việc thay đổi trạng thái theo
như nội dung trong thông báo. Cuối cùng, chức năng gửi và nhận dữ
liệu về trạng thái thiết bị trong nhà thông minh đến các máy tính
trên hạ tầng điện toán đám mây qua mạng Internet dựa vào giao thức
MQTT. Ở đây,
Home Gateway sẽ đóng vai trò của một MQTT client và trạng thái
của thiết bị có thể là dữ liệu của các cảm biến hoặc trạng thái
hoạt động của các thiết bị. Dữ liệu gửi qua Home Gate đến các thiết
bị trong nhà là dữ liệu điều khiển thiết bị được gửi từ các IOT-SP.
Trong phần thiết kế về thông điệp trao đổi với bên ngoài thông qua
giao thức MQTT, định dạng dữ liệu sử dụng sẽ là định dạng JSON.
Trong mỗi thông điệp trao đổi được thiết kế luôn bao gồm các 4
thuộc tính thông tin để xác định một thiết bị Echonet Lite trong
nhà: mã nhóm thiết bị (group code), mã lớp thiết bị (class code),
mã đối tượng thiết bị (instance code) và địa chỉ IP của thiết bị
Echonet Lite trong mạng.
2.3.2 Hệ thống xử lý dữ liệu Hệ thống xử lý dữ liệu đóng vai trò
trung gian cho việc gửi nhận dữ liệu giữa Home Gateway và IoT-SP.
Thành phần này được thiết kế bao với hai thành phần con. Thành phần
thứ nhất là MQTT Broker, đóng vai trò trung gian giúp cho Home
Gateway trong nhà thông minh, máy chủ quản lý cơ sở dữ liệu và các
IoT-SP có thể giao tiếp với nhau thông qua giao thức MQTT. Ở đây,
Home Gateway đóng vai trò là MQTT client sẽ gửi dữ liệu trạng thái
của các thiết bị trong nhà bằng cách gửi thông báo publish (xuất
bản thông tin) theo một chủ đề nhất định đến MQTT Broker. Các
IoT-SP cần cung cấp các thông tin, dữ liệu trạng thái của các thiết
bị Echonet Lite trong nhà theo thời gian thực sẽ đóng vai trò là
MQTT client để gửi yêu cầu subcribe (cung cấp thông tin) theo một
chủ đề nhất định cho MQTT Broker. Khi cần gửi lệnh điều khiển một
thiết bị trong nhà thông minh, IoT-SP sẽ gửi thông báo publish đến
MQTT Broker theo một chủ đề mà Home Gateway đã đăng ký nhận thông
tin (subcribe) từ trước. Để gán quyền publish và subcribe tới các
chủ đề một cách phù hợp thì cần đòi hỏi phải có cách quản lý để
chia topic một cách phù hợp đối với mỗi tài khoản. Việc quản lý
topic được thiết kế như sau: khi tài khoản với tên người dùng (chủ
sở hữu ngôi nhà) là A thì sẽ đươc publish tới chủ đề user/A/data/+
và subcribe tới chủ đề user/A/command/+. Tên tài khoản được yêu cầu
là duy nhất, do đó đảm bảo phân biệt được các topic mà mỗi người
dùng được phép publish hay subcribe. Nói cách khác, Home Gateway
của người dùng A sẽ gửi dữ liệu trạng thái của các thiết bị trong
nhà thông minh của người dùng A đến MQTT broker với chủ đề là
user/A/data/+. Home Gateway của người dùng A cũng sẽ yêu cầu gửi
thông tin (subcribe) tới chủ đề user/A/command/+. Như vậy, thông
qua chủ đề này Home Gateway của người dùng A sẽ lắng nghe để nhận
các yêu cầu điều khiển từ thiết bị của người dùng hoặc từ IoT-SP.
Dấu +
Hình 3 Mô hình hệ thống của IoT platform đề xuất
Echonet Lite
Homegateway
MQTT
..
Điềuhòa Cảmbiến
Máygiặt Đèn
MQ
TT MQTT
PDO/HTTP
MQTT
MQTT Broker
Database management server
Wen Services Provider
HTTP
HTTP
Thiếtbịngườidùng
NhàcungcấpdịchvụIoTchonhàthôngminh
MQTT
Hệthốngmạnggiađình Hệthốngmạngcloud
-
trong chủ đề user/A/data/+ có ý nghĩa là mọi chủ đề có tiền tố
là user/A/data. Thành phần thứ hai là máy chủ quản lý cơ sở dữ liệu
lưu trữ thông tin và dữ liệu trạng thái của các thiết bị trong nhà
thông minh. Việc lưu trữ dữ liệu trạng thái là rất quan trọng với
các ứng dụng IoT vì các dữ liệu này có thể được sử dụng để tối ưu
hóa hoạt động của các dịch vụ hoặc tạo ra nhiều dịch vụ mà người
dùng mong muốn, ví dụ như dịch vụ thống kê lượng điện tiêu thụ hàng
tháng... Do đó cần phải có một cơ sở dữ liệu để lưu trữ dữ liệu
trạng thái của các thiết bị Echonet Lite thông thường trong nhà
thông minh theo thời gian. Vì dữ liệu trạng thái của các thiết bị
được gửi tới MQTT Broker qua Home Gateway, do đó máy chủ quản lý cơ
sở dữ liệu sẽ đóng vai trò là một MQTT client để gửi yêu cầu thông
tin (subcribe) đến MQTT Broker. Dữ liệu trạng thái của các thiết bị
trong nhà thông minh sẽ được gửi từ MQTT Broker đến máy chủ quản lý
cơ sở dữ liệu và được lưu trong cơ sở dữ liệu. 2.3.3 Máy chủ cung
cấp dịch vụ Máy chủ cung cấp dịch vụ được thiết kế để đáp ứng các
yêu cầu từ phía người dùng (chủ sở hữu nhà) và IoT-SP như yêu cầu
đăng kí tài khoản sử dụng hệ thống, cấp quyền truy cập dữ liệu cho
các tài khoản của IoT-SP, nhận danh sách các thiết bị trong nhà
thông minh, ... Một Home Gateway hoặc một IoT-SP khi gửi yêu cầu
publish hay yêu cầu subcribe tới một topic nào thì đều cần đến một
tài khoản để có thể giao tiếp với MQTT Broker và tài khoản đó được
phân quyền cho từng topic. Máy chủ cung cấp dịch vụ sẽ cung cấp
dịch vụ Web để giúp người dùng có thể đăng kí tài khoản, phân quyền
topic cho tài khoản,... thông qua giao thức HTTP. Một IoT-SP cũng
có thể gửi yêu cầu cung cấp dữ liệu trong quá khứ của các thiết bị
trong nhà thông minh. Trong trường hợp này, máy chủ cung cấp dịch
vụ sẽ gửi yêu cầu đến máy chủ quản lý cơ sở dữ liệu để yêu cầu cung
cấp dữ liệu cho IoT-SP.
III. CÀI ĐẶT IOT PLATFORM CHO NHÀ THÔNG MINH
3.1 Môi trường cài đặt Bước tiếp theo sau khi hoàn thành bản
thiết kế hệ thống trên sẽ là việc cài đặt trên môi trường thật. Vì
lẽ có 3 thành phần trong mô hình thiết kế, do đó môi trường cài đặt
tương ứng với 3 thành phần này cũng khác nhau. Thành phần thứ nhất,
bên trong nhà thông minh, môi trường cài đặt là trên các thiết bị
thông thường và thiết bị Home Gateway. Thành phần thứ hai, phía
server, môi trường cài đặt có thể dựa trên các hệ thống server dịch
vụ hoặc cũng có thể chạy trên nền tảng cloud. Cuối cùng thứ ba là
thành phần phía người dùng, môi trường cài đặt là trên các thiết bị
được người dùng sử dụng như các thiết bị di động, thiết bị giám
sát, dịch vụ nhận dữ liệu ... Chúng tôi đã xây dựng và cài đặt các
thành phần trong hệ thống như sau. Thiết bị Home Gateway được cài
đặt trên máy tính nhúng Raspberry Pi. Để thiết bị Home Gateway gửi
nhận các gói tin Echonet Lite, chúng tôi sử dụng thư viện mã nguồn
mở được phát triển bằng ngôn ngữ Java do phòng nghiên cứu của công
ty Sony phát triển. Phía server, chúng tôi cài đặt 3 thành phần như
trong thiết kế là MQTT Broker, máy chủ quản lý cơ sở dữ liệu và máy
chủ cung
cấp dịch vụ. MQTT Broker sử dụng là phần mềm mã nguồn mở
Mosquitto. Cơ sở dữ liệu sử dụng là MySQL, phiên bản sử dụng là
5.7. Chương trình máy chủ cung cấp dịch vụ phía người dùng đươc cài
đặt bằng ngôn ngữ PHP, sử dụng server dịch vụ là Apache. Để thử
nghiệm các dịch vụ phía người dùng và IoT-SP, chúng tôi cài đặt
trên 2 thiết bị đó là điện thoại thông minh chạy trên nền tảng
Android và máy tính PC có thể nhận được dữ liệu tập trung. Chúng
tôi sử dụng thư viện mã nguồn mở Eclipse Paho Android Service để
xây dựng MQTT client trên điện thoại thông minh. Đây là một thư
viện do Eclipse phát triển và có giấy phép EPL.
3.2 Cài đặt chương trình Các chức năng mà chúng tôi đã xây dựng
và cài đặt được bao gồm: • Chức năng tự động nhận phát hiện các
thiết bị trong mạng
của Home Gateway • Chức năng tự động nhận dữ liệu trạng thái từ
các thiết bị
Echone Lite và gửi dữ liệu này tới MQTT Broker. • Chức năng của
cơ sở dữ liệu tự động thêm thông tin của
một thiết bị mới vào trong danh sách các thiết bị Echonet Lite
trong nhà thông minh của người dùng.
• Chức năng lưu trữ dữ liệu trạng thái của các thiết bị Echonet
Lite trong cơ sở dữ liệu.
• Chức năng thêm người dùng mới khi người dùng thực hiện đăng kí
thành công.
• Chức năng cung cấp thông tin và dữ liệu trạng thái của các
thiết bị trong nhà khi nhận được yêu cầu từ các IoT-SP.
Các thiết bị Echonet Lite khi khởi tạo đã gửi được dữ liệu trạng
thái của mình lên kênh truyền và thực hiện đúng các yêu cầu điều
khiển sau khi nhận được yêu cầu điều khiển từ thiết bị Home
Gateway.
3.2. Xây dựng ứng dụng giám sát và điều khiển Chức năng giám sát
và điều khiển các thiết bị trong nhà thông minh là một nhu cầu cấp
thiết trong nhà thông minh. Ngoài cách giám sát, điều khiển thủ
công, thì việc giám sát, điều khiển từ xa thông qua các thiết bị
thông minh như điện thoại, máy tính là cách mà hiện nay các nhà
thông minh đang hướng tới.
Hình 4 Hình ảnh triển khai trên thực tế của các thiết bị của
dịch vụ giám sát và điều khiển
-
Chúng tôi đã xây dựng một ứng dụng giám sát hay điều khiển được
các thiết bị trong nhà bằng thiết bị cầm tay là điện thoại thông
minh Android. Ứng dụng này cho phép tự động cập nhật trạng thái của
các thiết bị trong nhà thông minh và gửi yêu cầu điều khiển các
thiết bị Echonet Lite trong nhà thông minh. Việc sử dụng IoT
platform giúp cho việc xây dựng ứng dụng giám sát và điều khiển các
thiết bị trong nhà được thực hiện một cách đơn giản và dễ dàng.
Trước hết, thiết bị Android được cài đặt phần mềm MQTT client và
đăng kí một tài khoản MQTT client với MQTT broker. Để thực hiện
được việc giám sát được các thiết bị trong nhà của mình thì thiết
bị Android của người dùng (chủ sở hữu nhà thông minh) gửi yêu cầu
cung cấp thông tin tới chủ đề user/A/data/+ thông qua tài khoản của
mình. Trong đó A là tên tài khoản của người dùng. Dữ liệu trạng
thái của thiết bị được gửi từ Home Gateway trong nhà thông minh của
người dùng tài khoản A đến MQTT Broker và được chuyển đến thiết bị
Android của người dùng. Để thực hiện được chức năng điều khiển
thiết bị Echonet Lite trong nhà của mình thì thiết bị Android của
người dùng A sẽ gửi dữ liệu điều khiển tời MQTT Broker với chủ đề
user/A/command/X. Trong đó X là loại thiết bị trong nhà. Dữ liệu
này sẽ được chuyển tới thiết bị Home Gateway của người dùng A. Sau
đó, Home Gateway sẽ gửi thông báo điều khiển thiết bị Echonet Lite
theo định dạng Echonet lite dựa vào thông báo MQTT nhận được. Hình
4 là hình ảnh của một hệ thống giám sát và điều khiển đã triển khai
trên thực tế, trong đó điện thoại thông minh của người dùng sẽ theo
dõi các giá trị đo được của các cảm biến trong nhà tích hợp chuẩn
Echonet Lite, đồng thời có thể điều khiển việc bất tắt đèn.
3.3 Xây dựng ổ điện thông minh sử dụng IoT platform Trong ngôi
nhà thông minh, tất cả các thiết bị muốn hoạt động đều phải có
nguồn điện. Do đó, một ngôi nhà thông minh chắc chắc nó sẽ phải
kiểm soát được các nguồn điện này. Người dùng thông qua việc kiểm
soát sẽ quản lý được lượng điện năng tiêu thụ để thực hiện điều
chỉnh sử dụng thiết bị cho hợp lý. Để thực hiện được điều này, cần
phải có các thiết bị đo dòng điện gắn trên các thiết bị, bên cạnh
một số thiết bị điện chỉ là thiết bị điện đơn thuần nên việc cho ra
đời một ổ cắm thông minh thực hiện đo điện năng của các thiết bị
đang hoạt động trên nó là cần thiết. Ổ cắm thông minh Echonet Lite
giúp người dùng theo dõi được lượng điện năng tiêu thụ cũng như
phát hiện được các sự cố bất thường xảy ra với hệ thống điện trong
ngôi nhà của mình. Dựa theo nhu cầu của một số người dùng mong muốn
biết được số tiền mình phải thanh toán cho lượng điện năng mà mình
đã sử dụng cũng như dự toán được chi phí sẽ phải thanh toán cho đến
cuối tháng, ổ cắm thông minh có thể theo dõi điện năng và tính toán
được chi phí này. Chúng tôi đã xây dựng ứng dụng ổ điện thông minh
dựa trên IoT platform với ổ điện thông minh là một thành phần thiết
bị Echonet lite trong hệ thống (Hình 5). Ổ cắm điện Echonet lite
của chúng tôi được cấu thành từ các thành phần phần cứng bao gồm: •
Board mạch nhúng Arduino Uno R3
• Module Wifi esp8266 • Module đo dòng điện dựa trên hiệu ứng
Hall ACS712 Ổ cắm điện Echonet Lite sẽ gửi dữ liệu công suất tức
thời cho Home Gateway, sau đó Home Gateway gửi dữ liệu này lên MQTT
Broker và máy chủ quản lý cơ sở dữ liệu với vai trò của một MQTT
Client sẽ nhận và lưu dữ liệu này vào cơ sở dữ liệu. Chúng tôi cũng
xây dựng một Web server hiển thị mức tiêu thụ năng lượng điện bằng
cách truy cập vào cơ sở dữ liệu để lấy dữ liệu về công suất tiêu
thụ điện tức thời, sau đó xử lý, tính toán và hiển thị thông tin
cho người dùng.
IV. KẾT LUẬN Trong báo cáo này, chúng tôi đề xuất một IoT
platform có khả năng cung cấp các chức năng giao tiếp với các thiết
bị cũng như lưu trữ thông tin trạng thái và cập nhật trạng thái cho
các thiết bị cho các ứng dụng trong nhà thông minh. Chúng tôi đã
xây dựng và cài đặt IoT platform, đồng thời xây dựng thử nghiệm một
ứng dụng ổ điện thông minh để chứng tỏ khả năng ứng dụng của IoT
platform của chúng tôi.
LỜI CẢM ƠN
Công trình này nhận được sự tài trợ từ đề tài nghiên cứu khoa
học công nghệ cấp ĐHQG Hà Nội, mã số QG.16.30.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ECHONET Consortium,
http://www.echonet.gr.jp/, accessed 10th Jan
2017. [2] IEC, Service diagnostic interface for consumer
electronics products and
networks Implementation for ECHONET, IEC 62394, April 2017. [3]
ISO/IEC JTC1, information technology — Home Electronic Systems
(HES) architecture — Part 4-3: Application layer interface to
lower communications layers for network enhanced control devices of
HES Class 1, ISO/IEC 14543-4-3, 2015.
[4] Andrew Banks and Rahul Gupta,
http://docs.oasisopen.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/csprd02/mqtt-v3.1.1-csprd02.pdf
, OASIS Standard, 29 September 2014, pp. 1- 2.
[5] ISO/IEC JTC1, Information technology -- Message Queuing
Telemetry Transport (MQTT) v3.1.1, ISO/IEC 20922, 2016, pp.
iii.
[6] https://github.com/SonyCSL/OpenECHO [7]
https://github.com/eclipse/paho.mqtt.android
Hình 5 Hình ảnh ổ điện thông minh đã triển khai
36
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA HỆ THỐNG
Hình phụ lục: Ổ cắm thông minh
Hình phụ lục: Bóng đèn Echonet Lite
